一種劑量分布確定和放射治療計劃優化的方法及設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本申請一般設及放射治療領域，尤其設及放射治療計劃優化方法及設備、W及放 射治療計劃中劑量分布的確定方法及設備。
【背景技術】
[0002] 多葉準直器(MLC)是用來產生適合形狀的福射野的設備，其廣泛應用于醫學領域。 多葉準直器通常通過每個葉片的移動來達成射野動態或靜態成形。放射治療計劃優化中實 現多葉準直器的功能的關鍵包括了子野形狀和強度的確定。
[0003] 現有技術中，在確定子野形狀和強度時存在W下挑戰。
[0004] 放射治療優化問題中葉片的可連續移動性實現困難。在制定逆向優化計劃時，需 要給出每個子野形狀中MLC葉片的移動位置，通常通過拼湊一些射束元(beamlet)劑量矩陣 來實現。運時葉片只能定位到射束元的邊緣處，葉片移動的最小距離為一個射束元，因此葉 片的移動連續性被射束元的分辨率所限制;分辨率過低，導致葉片移動的最小距離過大，從 而使得葉片移動位置的可調節性降低，達不到預期的優化效果;而分辨率過高，則會使射束 元的劑量矩陣數據量急劇增大，并使計算時間顯著延長。
[0005] 另外，射束元劑量矩陣的數據量過大。在VMAT計劃優化過程中，首先要計算射束元 劑量矩陣，用來存放該射束元射束元附近采樣點或稱體素(voxel)的劑量沉積情況(cGy/ MU)。在一些多器官病例中為了較好的控制各器官上的劑量分布，體素的數目選取比較多， 運就使得即使在射束元的分辨率較低的情況下也會產生大量數據，導致消耗大量的內存資 源，并占用計算時間。此外，計算速度慢也是現有技術的問題之一。在放射治療計劃的優化 過程中，需要計算當前的體素上的劑量分布情況，并根據當前劑量分布情況，來確定下一步 的葉片移動方向；每次更新劑量分布情況或者改變葉片位置都需要對子野劑量做累計處 理，從而使計算量增大，降低優化速度。
[0006] 例如，Jiang、Men和Jia于2011年在專利申請號為US 13/695,015的美國專利申請 中提到，可利用列生成（column generation)方法，在兩個問題中分別求解子野形狀和強 度。該方法對于求解大規模優化問題具有一定效果，但該方法變量空間大，消耗較多計算機 資源，并且在優化過程中將子野權重和形狀分別優化，并不是在全局范圍內尋找局部最優 解。
[0007] 又如，美國專利US 2013/0077751A1通過構建網絡模型，并將葉片移動約束加入其 中，該模型更加注重葉片移動的連續性，而相對忽視優化的效果，且其子野形狀和子野權重 也是分別優化的。
[000引在W上兩篇專利中，葉片的可移動位置都是離散的，其可移動位置仍受限于射束 元，故其精細調整能力將會受到很大程度上的限制。

【發明內容】

[0009]根據本公開的一方面，一種放射治療計劃中劑量分布的確定方法包括將射束和感 興趣區域分別離散化為多個射束元和多個體素，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻 值;根據所述劑量貢獻值確定每個體素上的累計劑量隨射束元的連續分布；W及根據所述 連續分布計算當前葉片位置處的劑量分布。
[0010] 根據該方面的一實施例，根據所述劑量貢獻值確定每個體素上的累計劑量隨射束 元的連續分布進一步包括對每個體素，將所述每個射束元對所述體素的劑量貢獻值按行存 儲，所述行與葉片的移動方向平行;對每行的射束元，計算每個射束元依次疊加后，所述體 素上的累計劑量隨射束元的分布；W及使用擬合函數對所述累計劑量隨射束元的分布進行 擬合從而得到所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布。所述擬合函數可為一維函數， 所述累計劑量隨射束元的連續分布可為累計劑量隨位置變化的曲線。替換地，所述擬合函 數可為二維函數，所述累計劑量隨射束元的連續分布可為累計劑量隨位置和行數變化的曲 面。
[0011] 根據該方面進一步的實施例，在擬合得到所有體素上的累計劑量隨射束元的連續 分布之后，還包括對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布進行修正。根 據又一實施例，可利用插值方法對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布 進行修正。根據進一步的實施例，對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分 布進行修正進一步包括:建立放射治療計劃的優化模型，利用擬合得到的每個體素上的累 計劑量隨射束元的連續分布計算所述優化模型的初始解，根據所述初始解所在范圍對每個 體素上的累計劑量隨射束元的連續分布進行修正。進一步，根據所述初始解所在范圍對每 個體素上的累計劑量隨射束元的連續分布進行修正可包括對每個體素，根據所述初始解確 定需要修正的射束元的位置范圍，利用插值方法對需要修正的射束元的位置范圍內的累計 劑量進行修正。
[0012] 根據本公開的另一方面，一種放射治療計劃優化方法包括將射束和感興趣區域分 別離散化為多個射束元和多個體素，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻值;根據所述 劑量貢獻值確定每個體素上的累計劑量隨射束元的連續分布;建立放射治療計劃的優化模 型；W及利用每個體素上的累計劑量隨射束元的連續分布計算所述優化模型的最優解，并 作為放射治療計劃的優化結果。
[0013] 根據該方面的一實施例，根據所述劑量貢獻值確定每個體素上的累計劑量隨射束 元的連續分布進一步包括對每個體素，將所述每個射束元對所述體素的劑量貢獻值按行存 儲，所述行與葉片的移動方向平行;對每行的射束元，計算每個射束元依次疊加后，所述體 素上的累計劑量隨射束元的分布；W及使用擬合函數對所述累計劑量隨射束元的分布進行 擬合從而得到所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布。所述擬合函數可為一維函數， 所述累計劑量隨射束元的連續分布可為累計劑量隨位置變化的曲線。替換地，所述擬合函 數可為二維函數，所述累計劑量隨射束元的連續分布可為累計劑量隨位置和行數變化的曲 面。
[0014] 根據該方面的又一實施例，在擬合得到所有體素上的累計劑量隨射束元的連續分 布之后，還包括對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布進行修正。例如， 可利用插值方法對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布進行修正。
[0015] 根據進一步的實施例，對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布 進行修正包括利用擬合得到的每個體素上的累計劑量隨射束元的連續分布計算所述優化 模型的初始解，根據所述初始解所在范圍對每個體素上的累計劑量隨射束元的連續分布進 行修正。
[0016] 根據該方面的又一實施例，根據所述初始解所在范圍對每個體素上的累計劑量隨 射束元的連續分布進行修正包括對每個體素，根據所述初始解確定需要修正的射束元的位 置范圍，利用插值方法對需要修正的射束元的位置范圍內的累計劑量進行修正。進一步的 實施例還可包括根據修正后的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續分布計算最優解情 況下的劑量分布。
[0017] 本公開還包括與上述各方面相應的設備。
【附圖說明】
[0018] 圖1是根據本公開一實施例的射束元劑量分布的示例。
[0019] 圖2是根據本公開一實施例的射束元劑量累積分布的示例。
[0020] 圖3是根據本公開一實施例的射束元矩陣單行擬合結果的示例。
[0021] 圖4是根據本公開一實施例的對累計射束元區間進行分段插值的結果示例。
【具體實施方式】
[0022] 現在參照附圖描述各個方面。在W下描述中，出于解釋目的闡述了眾多具體細節 W提供對一個或多個方面的透徹理解。然而，明顯的是，沒有運些具體細節也可實踐此種 (類)方面。
[0023] 本公開設及放射治療計劃中劑量分布的確定方法及設備、放射治療計劃優化方法 及設備。例如，本公開的各方面可W設及但不限于W下一者或多者:通過曲線擬合的方法來 構造葉片可連續移動的優化模型；用擬合所得的參數來代替射束元矩陣，從而大幅減小了 數據規模;用擬合的方法來確定累計劑量的連續分布，從而增強了優化問題的平滑性，使得 可W收斂到理想的解，不受限于射束元的分辨率;采用解析方法來快速尋找最優解，對于擬 合誤差采用例如插值法來修正，并可基于修正來重新優化，兼顧了計算速度和精度。
[0024] W下給出本公開的各種具體實施例。應當了解的是，本公開的具體實施例是W示 例而非限定的方式給出的，本公開的保護范圍不被限定于任何特定實施例。確切而言，本公 開所請求保護的范圍僅由權利要求書來限定。例如，本公開設及但不限于多葉準直器葉片 位置連續優化。如本領域普通技術人員可理解的，本公開同樣可適應于其他相關應用。
[0025] 根據本公開的方面，可W將射束和感興趣區域分別離散化為多個射束元 (beamlet)和多個體素 (voxel )，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻值;并且根據所述 劑量貢獻值確定每個體素上的累計劑量隨射束元的連續分布。
[0026] 例如，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻值可包括計算射束元劑量矩陣。可 進一